DE202011101204U1

DE202011101204U1 - Vorrichtung zur Messung von gasförmigen Emissionen einer Probe eines Stoffes in einem bekannten Substrat

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Publication number: DE202011101204U1
Application number: DE201120101204
Authority: DE
Original assignee: FREDE HANS GEORG
Current assignee: FREDE HANS GEORG
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2021-05-21

Abstract

Vorrichtung zur Messung von gasförmigen Emissionen einer Probe (2) eines Stoffes, insbesondere einer Bodenkomponente oder eines Bodenhilfsstoffes, in einem bekannten Substrat, insbesondere eines Bodens, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analysegerät (3) zur Untersuchung der Emissionen eine Laserdiode zur Messung des Absorptionsspektrums der Emissionen hat und dass die Laserdiode einen Wellenlängenbereich der Hauptabsorptionsspektren von unterschiedlichen, in dem Stoff und dem Substrat eingesetzten Isotopen hat.

Description

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von gasförmigen Emissionen einer Probe eines Stoffes, insbesondere einer Bodenkomponente oder eines Bodenhilfsstoffes, in einem bekannten Substrat, insbesondere eines Bodens.
Eine aus der Praxis bekannte Vorrichtung zur Messung solcher Emissionen weist einen Infrarot-Gasanalysator auf, welcher eine Gesamtemission eines bekannten Gases ermittelt. Eine getrennte Analyse und Quantifizierung der unterschiedlichen, gasförmig emittierten Gase nach den jeweiligen Isotopen ist mit der bekannten Vorrichtung nicht möglich.
Häufig ist es jedoch wünschenswert, den biologischen Abbau von Bodenkomponenten oder Bodenhilfsstoffen automatisiert nachzuweisen. Beim aeroben Abbau dieser Stoffe entstehen gasförmige Verbindungen, wie beispielsweise CO₂. Werden Bodenhilfsstoffe durch geeignete Syntheseverfahren mit einer sich von der natürlichen Zusammensetzung unterscheidenden Isotopenzusammensetzung hergestellt oder weisen natürlicherweise bereits eine vom sonstigen natürlichen Isotopenhintergrund sich unterscheidende Isotopenzusammensetzung auf, entstehen spezifische Abbauprodukte. Wird hierbei eine Markierung mit einem schweren Isotop des Kohlenstoffes ¹³C verwendet, kann das während des Abbaus gebildete ¹³CO₂ vom ¹²CO₂ unterschieden werden.
Der Neuerung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass die Emissionen des Stoffes und des Substrates automatisiert untersucht werden können.
Dieses Problem wird neuerungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Analysegerät zur Untersuchung der Emissionen eine Laserdiode zur Messung des Absorptionsspektrums der Emissionen hat und dass die Laserdiode einen Wellenlängenbereich der Hauptabsorptionsspektren von unterschiedlichen, in dem Stoff und dem Substrat eingesetzten Isotopen hat.
Durch diese Gestaltung lassen sich Stoff und Substrat unabhängig über entsprechende Isotope, beispielsweise ¹²C und ¹³C markieren. Führt man Emissionen eines Gemischs des Stoffes und des Substrates dem Analysegerät zu, lassen sich die ¹²CO₂ und ¹³CO₂ Emissionen durch die Hauptabsorptionsspektren voneinander unterscheiden. Daher kann erfasst werden, wie schnell ein Bodenhilfsstoff oder eine Bodenkomponente im Boden abgebaut wird. Bei dem Boden kann es sich beispielsweise um Erdboden, Ackerboden oder Kultursubstrat handeln. Die genannte Laserdiode ermöglicht eine so genannte Wavelengh-scanned Cavitiy-ring-down-Spektroskopie und ist in der Lage, unterschiedliche Gase wie ¹²CO₂ und ¹³CO₂ nahezu simultan und in Echtzeit isotopenspezifisch zu analysieren und zu quantifizieren. Der Einsatz von radioaktiven Markierungen wie beispielsweise ¹⁴C ist dank der Neuerung nicht erforderlich. Daher eignet sich die neuerungsgemäße Vorrichtung auch zum Einsatz im Freiland.
Charakteristische Peaks der CO₂-Emissionen mit Kohlenstoffisotopen ¹²C und ¹³C lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung erkennen, wenn die Laserdiode eine Wellenlänge von 1,48 bis 1,52 nm hat. Durch diese Gestaltung lässt sich die neuerungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung des Abbauverhaltens einsetzen, weil die eingesetzten Stoffe und das Substrat einfach mit den Kohlenstoffisotopen ¹²C und ¹³C mit einer Signatur versehen werden können. Die Kohlenstoffisotope ¹²C und ¹³C finden sich anschließend in den Emissionen als ¹²CO₂ und ¹³CO₂ wieder und lassen sich durch die neuerungsgemäße Vorrichtung ermitteln.
Eine Bestimmung von absoluten Werten der einzelnen Kohlenstoffisotope in den CO₂-Emissionen gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung besonders einfach, durch Mittel zur Erfassung des dem Analysegerät zugeführten Gasvolumens. Als Mittel eignet sich insbesondere ein Durchflussmessgerät.
Eine zu untersuchende Probe lässt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung einfach belüften und untersuchen, wenn die Probe zur Aufnahme eines Gemischs aus Substrat und Stoff eine Be-/Entlüftungsöffnung, eine Verbindung mit der Umgebung und eine Verbindung mit dem Analysegerät und einer Luftpumpe hat und wenn zumindest ein Ventil zum Schalten der Verbindungen vorgesehen ist. Durch diese Gestaltung lässt sich die Probe in Abhängigkeit von der Stellung des Ventils wahlweise belüften, um Reaktionen ablaufen zu lassen oder um entstehende Gase dem Analysegerät zuzuführen.
Fehlfunktionen des Ventils durch Kondenswasser lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung einfach vermeiden, wenn das zumindest eine Ventil auf einer Heizplatte angeordnet ist. Die Heizplatte heizt das Ventil auf eine Temperatur 5°C oberhalb der Umgebungstemperatur, die separat bestimmt wird. Meist genügt es, das Ventil auf ungefähr 30°C zu heizen. Zur Verringerung des baulichen Aufwandes sind vorzugsweise mehrere Ventile auf einer gemeinsamen Heizplatte angeordnet.
Die Temperatur der Probe lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung einfach konstant halten, wenn ein Probenbehälter zur Aufnahme der Probe in einem Wasserbad angeordnet ist.
Ein Verschluss der Belüftungsöffnung durch abgeschiedenes Kondenswasser lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung einfach vermeiden, wenn die Be-/Entlüftungsöffnung auf einem in den Probenbehälter hineinragenden Metallrohr angeordnet ist und wenn das in den Probenbehälter hineinragende Ende des Metallrohrs aufgefächert ist.
Eine Reaktion der Probe erfordert Luft als Reaktionsgas. Die für die Reaktion erforderliche Luft lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung einfach zuführen, wenn zumindest eine Luftpumpe zur Förderung von Luft aus der Umgebung mit dem Probenbehälter verbunden ist. Für eine genaue Dosierung eignet sich insbesondere eine Membranpumpe als Luftpumpe zusammen mit einem Durchflussmessgerät.
Eine vorgesehene Temperatur der Probe lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung einfach einstellen, wenn das Wasserbad eine Heizeinrichtung und/oder eine Kühleinrichtung hat. Vorzugsweise sind in einem Wasserbad mehrere Probenbehälter angeordnet.
Fehlerhafte Messungen lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung weitgehend vermeiden, wenn mehrere Probenbehälter parallel geschaltet sind.
Zur weiteren Verringerung des Anlagenaufwandes trägt es gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung bei, wenn jeder Probenbehälter oder die Parallelschaltung von Probenbehältern mit einem 3/2 Wege-Ventil verbunden ist und wenn das Analysegerät und die Membranpumpe über weitere Ventile mit dem 3/2-Wege-Ventil verbunden sind.
Die Probenbehälter oder parallel geschaltete Probenbehälter lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Neuerung in einer zeitlichen Abfolge analysieren, wenn mehrere Probenbehälter oder Parallelschaltungen von Probenbehältern über ein gemeinsames Mehrwege-Ventil mit dem Analysegerät verbunden sind. Das Mehrwegeventil wird durch einen Microcontroller gesteuert, der Steuersignale vom Analysegerät erhält. Diese Gestaltung ermöglicht es, mit besonders geringem Anlagenaufwand eine Vielzahl von Proben zu analysieren. Damit können mehrere unterschiedliche Proben oder gleiche Proben bei unterschiedlicher Temperatur des Wasserbades nacheinander untersucht werden. Die Auswertung gestaltet sich ebenfalls besonders einfach, weil beispielsweise für jeweils sechs Proben in vier Wasserbädern eine 6×4 Matrix erstellt und diese weiter verarbeitet werden kann.
1a schematisch eine neuerungsgemäße Vorrichtung zur Messung einer einzigen Probe,
1b schematisch eine neuerungsgemäße Vorrichtung zur Messung mehrerer Proben,
2 einen Längsschnitt eines Probenbehälters der Vorrichtung aus 1a oder 1b,
3 die Anordnung mehrerer Ventile der Vorrichtung aus 1b auf einer Heizplatte,
4 ein Absorptionsspektrogramm eines Analysegeräts der Vorrichtung aus 1a oder 1b,
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Messungen.
1a zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Messung von CO₂-Emissionen einer in einem Probenbehälter 1 befindlichen Probe 2 mit einem Analysegerät 3. Der Probenbehälter 1 ist in einem Wasserbad 4 angeordnet und hat eine dauerhaft freie Be-/Entlüftungsöffnung 5. Die Temperatur des Wasserbades 4 lässt sich über eine Heiz- und Kühleinrichtung 6 einstellen. Ein 3/2-Wege-Ventil 7 verbindet den Probenbehälter 1 wahlweise mit dem Analysegerät 3 oder einer Luftpumpe 8. Weiterhin hat das Analysegerät 3 eine weitere Luftpumpe 9. Die Luftpumpen 8, 9 sind ebenfalls mit der Umgebung verbunden. Ein Microcontroller 10 wird durch das Analysegerät 3 gesteuert und steuert wiederum das 3/2-Wege Ventil 7. Die Heiz- und Kühleinrichtung 6 und die Luftpumpen 8, 9 werden autonom gesteuert.
In der dargestellten Schaltung des Ventils 7 ist das Analysegerät 3 mit dem Probenbehälter 1 verbunden. Die Luftpumpe 9 des Analysegeräts 3 saugt Luft aus der Umgebung über die Be-/Entlüftungsöffnung 5 an. Dabei wird die Luft mit Emissionen der Probe 2 dem Analysegerät 3 zugeführt. Durch eine entsprechende Umschaltung des Ventils 7 lässt sich im Betrieb der Vorrichtung Luft aus der Umgebung über die eine Luftpumpe 8 in den Probenbehälter 1 fördern. Die Luft kann anschließend über die Be-/Entlüftungsöffnung 5 in die Umgebung entweichen.
1b zeigt eine Vorrichtung, welche sich von der aus 1a dadurch unterscheidet, dass mehrere Probenbehälter 1 nacheinander mit dem einzigen Analysegerät 3 verbunden werden können. Zur Vereinfachung wurden in den 1a und 1b für einander entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen vergeben. Insgesamt sind vier Wasserbäder mit jeweils sechs Probenbehältern eingesetzt. Die Probenbehälter 1 haben jeweils eine Be-/Entlüftungsöffung 5 und eine Verbindung mit einem 3/2-Wege-Ventil 7.
Die Verbindung der 3/2-Wege-Ventile 7 mit dem Analysegerät 3 oder einer Luft aus der Umgebung ansaugenden Luftpumpe 8 erfolgt über zwei 5/4-Wege-Ventile 11, 12. Durch entsprechende Schaltungen der Ventile 7, 11, 12 lassen sich die Probenbehälter 1 der Reihe nach mit Luft aus der Umgebung spülen oder mit dem Analysegerät 3 verbinden. Jeweils ein Durchflussmessgerät 13, 14 ist dem Analysegerät 3 und der Luftpumpe 8 vorgeschaltet. Das Analysegerät 3 hat zudem eine Kalibriereinheit 15 mit einem 4/3-Wege-Ventil 16 und einer Speicherflasche 17 für Kalibriergas. Die Steuerung der Ventile 7, 11, 12 erfolgt über den Microcontroller 10, der wiederum Steuersignale vom Analysengerät 3 erhält. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform können die Probenbehälter 1 in modifizierter Form ohne Boden direkt in das Freiland gesetzt und als Messkammern verwendet werden oder es werden alternative Messkammern angeschlossen. Das Wasserbad 4 kann dabei entfallen.
2 zeigt vergrößert einen der Probenbehälter 1 für eine zu analysierende Probe 2 der Vorrichtungen aus den 1a und 1b. Die Be-/Entlüftungsöffnung 5 ist an einem Metallrohr 21 angeordnet, dessen in den Probenbehälter 1 hineinragendes Ende eine Auffächerung 18 hat. Damit wird verhindert, dass Tropfen von Kondenswasser sich in dem Metallrohr 21 ansammeln und die Be-/Entlüftungsöffnung 5 verschließen. Ein zu dem in den 1a und 1b dargestellten 3/2-Wege-Ventil 7 führendes Entnahmerohr 19 ist bis unmittelbar vor die Probe 2 geführt. In einer alternativen Ausführungsform kann der Probenbehälter 1 auch nach unten hin offen und damit für den Einsatz im Freiland geeignet sein.
3 zeigt schematisch die Montage mehrerer Ventile 7 der Vorrichtungen der 1a und 1b auf einer gemeinsamen Heizplatte 20. Die Heizplatte 20 erwärmt die Ventile 7 oberhalb der Raumtemperatur, beispielsweise auf 30°C und verhindert damit die Abscheidung von Kondenswasser.
4 zeigt ein Absorptionsspektrogramm des Analysegeräts der Vorrichtungen aus den 1a und 1b. Eine nicht dargestellte Laserdiode erzeugt Laserimpulse in einem vorgesehenen Wellenlängenbereich von 1,5 bis 1,6 nm. In diesem Bereich liegen charakteristische Peaks der Gase ¹³CO₂ und ¹²CO₂. Durch das Verhältnis der Größe der Peaks zueinander, einem Vergleich mit der Umgebungsluft und der bekannten Menge der dem Analysegerät zugeführten Gase lassen sich absolute Werte der ¹³CO₂ und ¹²CO₂ Emissionen ermitteln.
5 zeigt einen charakteristischen Verlauf der Messungen der Konzentration von CO₂ über die Zeit. Mittels der Vorrichtungen aus den 1a und 1b lassen sich einzelne Zeitintervalle t1 und t2 festlegen, innerhalb derer jeweils eine Messung stattfindet. Zwischen den Zeitintervallen wird die Probe 2 belüftet. Anhand der Messungen der Zeitintervalle lässt sich der Verlauf der CO₂-Emissionen der Proben 2 ermitteln. Vorzugsweise werden die Proben 2 zu Beginn und am Ende der Messungen zudem direkt untersucht. Der Zeitintervall t1 kennzeichnet eine Referenzmessung der Umgebungsluft, während der Zeitintervall t2 eine Messung der Probe kennzeichnet.

Claims

Vorrichtung zur Messung von gasförmigen Emissionen einer Probe (2) eines Stoffes, insbesondere einer Bodenkomponente oder eines Bodenhilfsstoffes, in einem bekannten Substrat, insbesondere eines Bodens, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analysegerät (3) zur Untersuchung der Emissionen eine Laserdiode zur Messung des Absorptionsspektrums der Emissionen hat und dass die Laserdiode einen Wellenlängenbereich der Hauptabsorptionsspektren von unterschiedlichen, in dem Stoff und dem Substrat eingesetzten Isotopen hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode eine Wellenlänge von 1,48 bis 1,52 nm hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Mittel zur Erfassung des dem Analysegerät (3) zugeführten Gasvolumens.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe (2) zur Aufnahme eines Gemischs aus Substrat und Stoff eine Be-/Entlüftungsöffnung (5), eine Verbindung mit der Umgebung und eine Verbindung mit dem Analysegerät (3) und einer Luftpumpe (9) hat und dass zumindest ein Ventil (7, 11, 12) zum Schalten der Verbindungen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Ventil (7, 11, 12) auf einer Heizplatte (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Probenbehälter (1) zur Aufnahme der Probe (2) in einem Wasserbad (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Be-/Entlüftungsöffnung (5) auf einem in den Probenbehälter (1) hineinragenden Metallrohr (21) angeordnet ist und dass das in den Probenbehälter (1) hineinragende Ende des Metallrohrs (21) aufgefächert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Luftpumpe (8) zur Förderung von Luft aus der Umgebung mit dem Probenbehälter (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserbad (4) eine Heizeinrichtung und/oder eine Kühleinrichtung (6) hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Probenbehälter (1) parallel geschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Probenbehälter (1) oder die Parallelschaltung von Probenbehältern (1) mit einem 3/2 Wege-Ventil (7) verbunden ist und dass das Analysegerät (3) und die Membranpumpe über weitere Ventile (11, 12) mit dem 3/2-Wege-Ventil (7) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Probenbehälter (1) oder Parallelschaltungen von Probenbehältern (1) über ein gemeinsames Mehrwege-Ventil (11, 12) mit dem Analysegerät (3) verbunden sind.